艦船電子信息裝備強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)技術(shù)發(fā)展

徐 哲，黃 玨

(解放軍91977部隊(duì)，北京 100000)

0 引 言

以高功率微波武器(HPM)為代表的強(qiáng)電磁脈沖(EMP)攻擊武器，其能量強(qiáng)度大、峰值高、頻譜寬度寬、作用范圍廣，因而具有較強(qiáng)的可控性、較小的制約性及較高的打擊效率。利用強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電磁波收發(fā)設(shè)備及其傳播途徑進(jìn)行干擾，可以直接或間接地削弱甚至造成敵方武器系統(tǒng)癱瘓，從而導(dǎo)致戰(zhàn)場(chǎng)感知迷茫、指揮協(xié)同紊亂、用頻裝備效能下降，影響乃至誤導(dǎo)指揮決策，令交戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)能力的不對(duì)稱優(yōu)勢(shì)逐漸擴(kuò)大。傳統(tǒng)的基于電磁兼容(EMC)考慮的裝備設(shè)計(jì)已難以應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖武器帶來的威脅。我軍艦艇電子信息裝備防抗強(qiáng)電磁脈沖武器的問題必須引起重視，并盡早布局、不斷推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，以保證艦船電子信息裝備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的正常使用效能[1]。

1 需求分析

1.1 國外電磁脈沖武器發(fā)展現(xiàn)狀

以美、俄為首的世界軍事強(qiáng)國針對(duì)EMP武器都相繼開展了研究。從國外發(fā)表的文獻(xiàn)和相關(guān)報(bào)道看，目前彈載強(qiáng)電磁脈沖武器較為成熟，已達(dá)到實(shí)戰(zhàn)水平。

1.1.1 美國EMP武器發(fā)展

1991年，美國海軍在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中首次使用基于戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)型強(qiáng)電磁脈沖彈，對(duì)伊拉克防空系統(tǒng)和指揮中心的電子系統(tǒng)進(jìn)行干擾和毀傷。1999年3月24日，在北約對(duì)南聯(lián)盟的轟炸中，美軍使用EA-6B“徘徊者”電子干擾飛機(jī)投放電磁炸彈，致癱南聯(lián)盟部分地區(qū)的各種通信設(shè)施和電子設(shè)備長達(dá)3個(gè)多小時(shí)。2003年，美英聯(lián)軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中再次使用功率2 MW、毀傷半徑2.5 km的EMP武器，造成巴格達(dá)所有電子信號(hào)被覆蓋。目前，美國已經(jīng)成功研制搭載于GPS/INS航空制導(dǎo)炸彈的采用二級(jí)式磁通壓縮發(fā)生器的EMP戰(zhàn)斗部，并計(jì)劃將其移植至衛(wèi)星輔助制導(dǎo)彈藥(GAM)、聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)、敏捷滑翔武器(AGW)、聯(lián)合防區(qū)外發(fā)射武器(JSOW AGM-154)等平臺(tái)[2]。

美空軍持續(xù)推進(jìn)EMP武器的研究進(jìn)展。2008年底，由美國太平洋司令部提出需求，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室牽頭，基于巡航導(dǎo)彈平臺(tái)的高功率微波先進(jìn)導(dǎo)彈(CHAMP)項(xiàng)目開始啟動(dòng)。2012年10月16日，CHAMP項(xiàng)目在猶他實(shí)驗(yàn)場(chǎng)成功進(jìn)行了首次作戰(zhàn)飛行試驗(yàn)。CHAMP按照既定路線飛行了1 h，在自毀前使7個(gè)目標(biāo)的電子系統(tǒng)降級(jí)或失效，甚至關(guān)閉了試驗(yàn)記錄用的遙控TV相機(jī)。2013年，美國空軍的1份國防研究委員會(huì)NRC的研究報(bào)告顯示，美國正在進(jìn)行CHAMP的后續(xù)項(xiàng)目——Super CHAMP項(xiàng)目。2014年11月，美國空軍公布定向能武器路線圖的EMP武器部分，計(jì)劃在2016年實(shí)現(xiàn)可配裝AGM-86C/D常規(guī)空射巡航導(dǎo)彈(CALCM)的第2代EMP套件，實(shí)現(xiàn)多次、多目標(biāo)打擊能力。2024年實(shí)現(xiàn)可配裝AGM-158B增程型聯(lián)合空對(duì)地防區(qū)外導(dǎo)彈(JASSM-ER)的EMP武器，優(yōu)化波形以增強(qiáng)效能，提高能源效率，降低尺寸、重量和功耗。2029年實(shí)現(xiàn)可配裝第5代戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)的EMP武器[3]。

2017年1月，美國國家利益網(wǎng)站報(bào)道，美國陸軍正在研制以大炮(例如155 mm榴彈炮)作為投擲系統(tǒng)的EMP炮攻擊系統(tǒng)，旨在研發(fā)一種低功率武器，用來精確打擊一小片地理區(qū)域，精確影響電磁頻譜的某個(gè)特定部分。

1.1.2 俄羅斯EMP武器發(fā)展

2001年，俄羅斯在馬來西亞蘭卡威島(Lankagwi)國際海洋及航天展期間推出Ranets-E移動(dòng)式EMP武器系統(tǒng)。Ranets-E系統(tǒng)在X波段可輻射500 MW～1 GW的EMP脈沖。通過45～50 dBi增益的高定向性天線，Ranets-E可在1 km和10 km遠(yuǎn)處分別形成400 W/cm2和4 W/cm2的功率密度，對(duì)敏感電子系統(tǒng)的毀傷打擊距離可達(dá)32 km。Ranets-E 武器系統(tǒng)輻射性能如圖1所示。

圖1 Ranets-E 武器系統(tǒng)輻射性能

2015年，俄羅斯無線電電子技術(shù)公司(KRET)在第12屆莫斯科國際航空展上推出了Krasukha-2和Krasukha-4車載EMP武器系統(tǒng)。Krasukha-2于1996年開始研制，2011年完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2014年提前交付俄羅斯軍隊(duì)。Krasukha-2系統(tǒng)裝有100 kW發(fā)電機(jī)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用直徑約2.7 m的拋物面天線，饋源由1個(gè)主饋源喇叭和2個(gè)次級(jí)饋源組成，安裝于可360°旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，最大俯仰角5°，在天線主瓣45°范圍內(nèi)都可實(shí)施有效干擾。Krasukha-2系統(tǒng)和Krasukha-4系統(tǒng)已經(jīng)在2014年的烏克蘭沖突和2015年的敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行了應(yīng)用。圖2為Krasukha-4車載EMP武器系統(tǒng)。

圖2 Krasukha-4車載EMP武器系統(tǒng)

根據(jù)已公布的資料推斷，至2025年，外軍特別是美軍將進(jìn)入強(qiáng)電磁脈沖全面武器化階段，能力水平將達(dá)到：時(shí)域脈寬和工作頻段實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)；窄譜HPM強(qiáng)電磁脈沖武器可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻攻擊，脈寬>20 ns；寬譜HPM強(qiáng)電磁脈沖武器時(shí)域脈寬<1 ns；爆破式HPM強(qiáng)電磁脈沖武器峰值功率>200 GW，非爆破式峰值功率達(dá)到TW量級(jí)；小型化水平進(jìn)一步發(fā)展，戰(zhàn)斗部重量<50 kg，體積<0.5 m3。

1.2 強(qiáng)電磁脈沖毀傷效應(yīng)

強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子、電氣設(shè)備的毀傷效應(yīng)歸納起來主要包括高壓擊穿、器件燒毀、微波加溫、電涌沖擊、瞬時(shí)干擾等5種典型效應(yīng)。

(1) 高壓擊穿：電磁能接收后可轉(zhuǎn)化為大電流,在高電阻處也可能轉(zhuǎn)化為高電壓。這樣可引起接點(diǎn)、部件或回路間的電擊穿,引起器件的損壞或瞬時(shí)失效。若電流為1 A，脈寬為0.1 μs，接點(diǎn)間的電容為1 pF，則可產(chǎn)生100 kV電壓，擊穿后還會(huì)產(chǎn)生數(shù)百kHz 的衰減正弦振蕩，輻射出電磁波。

(2) 器件燒毀：包括半導(dǎo)體器件的結(jié)燒蝕、金屬連線熔斷等，這將造成永久性損傷。

(3) 微波加溫：微波可使金屬、含水介質(zhì)加溫，以致器(部) 件不能正常工作。

(4) 電涌沖擊：微波脈沖在金屬屏蔽殼體上產(chǎn)生脈沖大電流，如浪涌一樣在殼體上流動(dòng)，縫隙、孔洞、外露引線等將此電涌電流引進(jìn)一小部分至殼體內(nèi)的系統(tǒng)，就足以使敏感的器件損壞。

(5) 瞬時(shí)干擾：當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的功率較低，但不足以損壞系統(tǒng)時(shí)，能感應(yīng)瞬時(shí)電流及引起器件瞬時(shí)失效或產(chǎn)生干擾，致使系統(tǒng)不能正常工作。

強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子、電氣設(shè)備的損壞程度如圖3所示。

圖3 強(qiáng)電磁脈沖攻擊造成的系統(tǒng)損毀程度

以0.2 GHz～2 GHz的相控陣?yán)走_(dá)陣面為例，仿真了其強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)，重點(diǎn)分析當(dāng)陣列天線受到強(qiáng)電磁脈沖攻擊時(shí)(正入射圓極化高斯脈沖)，其輻射特性的變化情況。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖照射到天線陣面，將在天線的金屬表面激勵(lì)起感應(yīng)電流。此感應(yīng)電流與天線本身的表面電流疊加后，將改變天線原本的輻射方向圖。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 天線輻射方向圖變化情況

可見，當(dāng)入射波垂直入射后，且入射脈沖電平與發(fā)射脈沖電平可以比擬時(shí)，方向圖畸變較大，原有的4個(gè)不同指向的波束已經(jīng)消失。這表明，在此干擾下，天線已完全不可用。

圖5為某型艦船在強(qiáng)電磁脈沖波形的照射下，艦船表面感應(yīng)電流的仿真結(jié)果?？梢娫诟邚?qiáng)度電磁脈沖照射下，船體金屬表面上多個(gè)部位呈現(xiàn)出較強(qiáng)的電磁感應(yīng)電流或電壓，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過外部射頻電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值，將直接導(dǎo)致位于艦船平臺(tái)上的電子信息裝備等面臨比較嚴(yán)重的電磁毀傷問題。

圖5 某艦船表面感應(yīng)電流仿真

2 國內(nèi)外強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)研究現(xiàn)狀

2.1 國外電磁脈沖防護(hù)研究與管理現(xiàn)狀

美軍非常重視強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，針對(duì)武器裝備系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性、外部射頻電磁環(huán)境、高功率微波(HPM)、雷電(LEMP)、高空核爆電磁脈沖(HEMP)、TEMPEST防信息泄漏、分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾、靜電荷控制、全壽命期的電磁環(huán)境效應(yīng)加固、電搭接、外部接地、系統(tǒng)輻射性發(fā)射等共15個(gè)方面的要求進(jìn)行了詳細(xì)研究。針對(duì)電磁干擾對(duì)武器裝備的破壞機(jī)理，美軍從強(qiáng)化自身角度出發(fā)，注重武器裝備的前期設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制造上采取自上而下的系統(tǒng)技術(shù)措施，加強(qiáng)武器裝備的電磁防護(hù)。

首先，從項(xiàng)目采辦開始，美軍在武器系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)管理和控制中就采取了規(guī)范化的措施，在系統(tǒng)方案研制階段及部署期間，都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范和遵循。從頂層設(shè)計(jì)上來保證武器裝備的電磁防護(hù)水平：在方案探索階段，探索所計(jì)劃的電磁環(huán)境和現(xiàn)有的頻譜利用所預(yù)計(jì)的性能；在方案研制階段，充分運(yùn)用系統(tǒng)工程避免電磁不兼容、預(yù)防有電磁危害的暴露，在可行性之處改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，以消除電磁不兼容和干擾狀況；在驗(yàn)收和確認(rèn)階段，明確和實(shí)施全面而嚴(yán)密的電磁環(huán)境效應(yīng)規(guī)范、體系，提供規(guī)范和采辦文件中電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)要求的追蹤能力，為控制實(shí)施規(guī)范中的電磁環(huán)境效應(yīng)提出安裝要求；在全面研制階段，根據(jù)試驗(yàn)和評(píng)定結(jié)果，改進(jìn)技術(shù)規(guī)范中的電磁環(huán)境效應(yīng)要求，保證對(duì)未經(jīng)電磁環(huán)境效應(yīng)性能驗(yàn)證的裝備不批準(zhǔn)生產(chǎn)；在生產(chǎn)與驗(yàn)收階段，確保與采辦項(xiàng)目規(guī)范中電磁環(huán)境效應(yīng)要求的一致性，確保生產(chǎn)驗(yàn)收試驗(yàn)與電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)要求的一致性；在保障與使用階段，在采辦項(xiàng)目壽命期始終保持電磁環(huán)境效應(yīng)要求的完善。

其次，以具體指標(biāo)體系來規(guī)范武器裝備的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)。所有武器系統(tǒng)包括綜合電子信息系統(tǒng)，都必須滿足美軍標(biāo)規(guī)定的預(yù)期電磁環(huán)境要求，包括《設(shè)計(jì)和采購電氣、電子設(shè)備時(shí)對(duì)電磁輻射環(huán)境要求》(MIL-HDBK-235/1B)、《武器系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》(MIL-STD-464A)、《系統(tǒng)預(yù)防電磁能量效應(yīng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)指南》(MIL-HDBK-253)、《設(shè)計(jì)和采購電子設(shè)備及電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮的電磁輻射環(huán)境因素》(MIL-HDBK-285-79)。

最后，從技術(shù)維護(hù)上來保證武器裝備的電磁防護(hù)要求。通過技術(shù)維護(hù)，使美軍武器裝備必須滿足相關(guān)的規(guī)定、指令和標(biāo)準(zhǔn)要求。如滿足：《設(shè)備電磁脈沖和TEMPEST防護(hù)》(MIL-STD-461F、COE EP 1110-3-2)、《設(shè)備或設(shè)施電磁脈沖和電磁泄露防護(hù)》(COE EP 1110-3-2)、《陸基設(shè)施高空電磁脈沖防護(hù)》(NAV DM-12.02)、《電磁環(huán)境效應(yīng)信息收集和分析報(bào)告》(DI-EMCS-81540)、《電磁效應(yīng)驗(yàn)證步驟與程序》(DI-EMCS-81294和DI-R-7061)、《固定或可移動(dòng)陸基C4I設(shè)施的高空核電磁脈沖防護(hù)》(MIL-HDBK-423)。美國建立了電場(chǎng)梯度高達(dá)100 kV/m、時(shí)間尺度10 ns～1.8 ns的電磁脈沖模擬裝置，專門研究瞬態(tài)超強(qiáng)電磁脈沖毀傷機(jī)理和屏蔽方法，開發(fā)出了抗損毀的輕質(zhì)屏蔽材料，如Chomerics公司開發(fā)的premier材料，但抗瞬態(tài)超強(qiáng)電磁脈沖技術(shù)細(xì)節(jié)及相關(guān)資料和方法都列為機(jī)密。

2.2 國內(nèi)電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對(duì)于電磁脈沖效應(yīng)的研究大多集中在電磁兼容方向，強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研究基本停留在毀傷機(jī)理的定性研究上面。在專業(yè)研究力量方面，研究目標(biāo)和人員比較分散，主要為國內(nèi)的一些高校和科研院所；在強(qiáng)電磁脈沖整體防護(hù)方案設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)研究單位較少，還沒有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)級(jí)電磁防護(hù)解決規(guī)范和流程；在強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)器件方面，目前主要局限于對(duì)雷電、5～10 ns上升沿的強(qiáng)電磁脈沖的濾波器件的防護(hù)上，對(duì)于上升沿更快、幅值更高的強(qiáng)電磁脈沖還處于初步的研究階段；在模擬和測(cè)試方面，多家單位都建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，但模擬器的數(shù)量和測(cè)試環(huán)境等方面均與發(fā)達(dá)國家存在很大的差距；且實(shí)驗(yàn)配套設(shè)施不夠健全，測(cè)量手段不夠先進(jìn)，影響定量研究和電磁脈沖效應(yīng)評(píng)估工作。

3 研究重點(diǎn)與發(fā)展建議

根據(jù)美國等主要對(duì)手國家強(qiáng)電磁武器發(fā)展情況，預(yù)判其形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間不會(huì)遲于2025年，未來我艦船電子信息裝備將必然受到其強(qiáng)烈威脅，預(yù)先布局抗強(qiáng)電磁防護(hù)勢(shì)在必行。未來一段時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)體系、基礎(chǔ)技術(shù)、試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)方面，應(yīng)加大投入，盡快彌補(bǔ)短板弱項(xiàng)，重點(diǎn)建設(shè)方向建議如下：

3.1 強(qiáng)電磁防護(hù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要是集中在電磁兼容領(lǐng)域，強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn)體系尚為空白。為有效完成艦船電子信息裝備的電磁脈沖防護(hù)工作，需加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面加大研究力度。建議重點(diǎn)開展以下工作：重視基礎(chǔ)研制工作，開展強(qiáng)電磁脈沖對(duì)系統(tǒng)、電子元器件及電路的輻照效應(yīng)研究，形成防護(hù)設(shè)計(jì)總要求和防護(hù)細(xì)則；搭建大型開闊場(chǎng)電磁環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)艦載平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行抗電磁脈沖的模擬試驗(yàn)；通過試驗(yàn)搜集整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究毀傷安全閾值，建立豐富完善的系統(tǒng)脈沖效應(yīng)毀傷數(shù)據(jù)庫和防護(hù)數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的正向設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。在此基礎(chǔ)上，起草強(qiáng)電磁脈沖規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)基礎(chǔ)技術(shù)研究

(1) 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)體系設(shè)計(jì)技術(shù)。針對(duì)艦船電子信息裝備在強(qiáng)電磁對(duì)抗環(huán)境下的薄弱部位和環(huán)節(jié)開展有針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)，采用“自頂向下”的正向設(shè)計(jì)思路，在設(shè)計(jì)階段就充分考慮裝備所面臨的強(qiáng)電磁干擾和毀傷等問題，杜絕后加固帶來的防護(hù)短板等問題，保證艦船電子信息裝備在復(fù)雜電磁對(duì)抗環(huán)境下的作戰(zhàn)效能不降低。

(2) 開展強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)新方法、新技術(shù)和新材料研究。以平臺(tái)內(nèi)外強(qiáng)電磁脈沖仿真與毀傷機(jī)理研究成果為支撐，采用理論分析與數(shù)值仿真等方法開展相應(yīng)的研究工作。根據(jù)防護(hù)需求，研究防護(hù)指標(biāo)量化、歸一化方法。通過對(duì)各耦合途徑提出覆蓋海軍電子信息裝備、部件、元器件的防護(hù)建議，制定分級(jí)分類的防護(hù)策略，研制電磁脈沖防護(hù)組件。

3.3 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)

開展電子系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究必須建立相應(yīng)的輻射環(huán)境。強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)，不但能為電子信息系統(tǒng)的研發(fā)和測(cè)試提供一個(gè)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相似的真實(shí)工作場(chǎng)景，生成各類戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信息，包括通信信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、電子對(duì)抗、高功率微波信號(hào)及超寬譜電磁脈沖等，用以評(píng)估電子信息裝備抗強(qiáng)電磁環(huán)境的能力，還能夠驗(yàn)證電磁防護(hù)材料和部件設(shè)計(jì)完成后應(yīng)用于系統(tǒng)中的效果，同時(shí)也可為軍事訓(xùn)練和演練提供逼真的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，為提高電子信息裝備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

近年來，外軍不斷加強(qiáng)電磁脈沖武器發(fā)展，在海上方向低劣度沖突中對(duì)我實(shí)施強(qiáng)電磁脈沖攻擊的可能性現(xiàn)實(shí)存在，保證我軍艦船電子信息裝備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能不降低的需求現(xiàn)實(shí)而急迫。當(dāng)前在我軍艦船電子信息裝備強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作中，仍存在研究不成體系、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱等一系列問題，需要加強(qiáng)頂層規(guī)劃，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、基礎(chǔ)研究、試驗(yàn)保障條件等方面下大力氣持續(xù)推進(jìn)，以期在未來較短的一段時(shí)間內(nèi)，達(dá)到“實(shí)施有標(biāo)準(zhǔn)、研制有手段、試驗(yàn)有環(huán)境”的目標(biāo)。